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利用濾波器防止開關電源噪聲

來源：東莞市成良智能科技發(fā)布時間：2019-07-31 點擊量：1389

開關電源幾乎用于所有電子設備中。它們由于尺寸小、成本低和效率高而具有極高的價值。但是，它們最大的缺點就是高開關瞬態(tài)導致高輸出噪聲。這個缺點使它們無法用于以線性穩(wěn)壓器供電為主的高性能模擬電路中。實踐證明，在很多應用中，經(jīng)過適當濾波的開關轉換器可以代替線性穩(wěn)壓器從而產(chǎn)生低噪聲電源。因此，有必要設計經(jīng)過優(yōu)化和阻尼處理的多級濾波器，來消除開關電源轉換器的輸出噪聲。此外，了解濾波器設計如何影響開關電源轉換器的補償也很重要。
開關電源的輸出濾波器對升壓拓撲或其它任何帶有斷續(xù)電流模式的拓撲之所以重要，是因為它在開關B內電流具有快速上升和下降時間。這會導致激勵開關、布局和輸出電容中的寄生電感。

由于開關電源的電容電荷的變化而導致的開關紋波（開關頻率）相比輸出開關的無阻尼振鈴而言非常小，下文稱為輸出噪聲。一般而言，此輸出噪聲范圍為10 MHz至100 MHz以上，遠超出大部分陶瓷輸出電容的自諧振頻率。因此，添加額外的電容對噪聲衰減的作用不大。

開始設計濾波器前，考慮一下單級濾波器RC或LC濾波器可以做什么。通常采用二級濾波器可以合理地將紋波抑制到幾百μV p-p范圍內，并將開關噪聲抑制在1 mV p-p 以下。降壓轉換器噪聲較低，因為開關電源電感提供了很好的濾波能力。這些限制是因為，一旦紋波降低至μV級別，元件寄生和濾波器級之間的噪聲耦合便開始成為限制因素。如果使用噪聲更低的電源，則需添加三級濾波器。然而，開關電源的基準電壓源一般不是噪聲最低的元件，并
且常常受到抖動噪聲的影響。這些都導致了低頻噪聲（1 Hz至100 kHz），通常不易濾除。因此，對于極低噪聲開關電源而言，使用單個二級濾波器然后在輸出端添加一個LDO可能更合適。

在更詳細地介紹各類濾波器的設計步驟前，部分開關電源在設計步驟中使用的各類濾波器的數(shù)值定義如下：
進入輸出濾波器的峰峰值電流近似值。為方便計算，假定是正弦信號。數(shù)值取決于拓撲。對于降壓轉換器而言，它是電感中的峰峰值電流。對于升壓轉換器而言，它是開關B（通常是一個二極管）中的峰值電流。轉換器開關頻率處的輸出電壓紋波近似值。
所選輸出電容的ESR。
轉換器開關頻率。
輸出電容的計算中，假定所有ΔIPP 流入其中。
ISTEP施加于輸出時，VOUT的變化。
輸出負載的瞬時變化。
轉換器對于輸出負載瞬時變化的近似響應時間。
轉換器的交越頻率。對于降壓轉換器而言，其值通常為FSW?10。對于升壓或降壓/升壓轉換器而言，它通常位于右半平面零點（RHPZ）約1/3位置處。

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